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液晶光阀
光寻址液晶光阀特性研究
6系08级PB08210208沈旭2010/5/12
液晶光阀（LiquidCrystalLightValve）简称（LCLV），它是二十世纪七十年代发展起来的，被广泛地应用在光信息处理、空间光调制、大屏幕投影显示、光计算、自动目标识别、非相干图象与相干图象的转化等方面.1888年，奥地利科学家赖因策（F.Reinitzer）在布拉格植物生理研究所做实验时，发现他加热的化合物熔化后先变成了白浊液体，并且闪现某些颜色，继续加热后变成透明液体。
于是他又对化合物进行降温后，重复实验，依然看到上述现象。
赖因策没有像其他人那样将这种特有的现象简单看作是材料不纯造成的，而是更精心地制备材料，对颜色的起因进行探究。
1888年3月14日，赖因策将样品寄给德国的年轻结晶学家雷曼（O.Lehmann），并附上一封长信。
雷曼经过系统研究，发现有许多有机化合物都具有同样的性质，这些化合物在混浊状态，其力学性质与液体相似，具有流动性，而其光学性质与晶体相似，具有各向异性，故取名为液晶（liquidcrystal）。
它是进行信息与激光技术领域科研工作的关键光电子器之一.本实验就是在这个大的背景情况下,从基本原理的角度出发,测量其相关曲线,理解并解释相关现象.
实验原理
下面就实验中的两个关键部件加以说明
1.偏振分光棱镜的的工作原理
如右图1所示，棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜,以降低光通过棱镜时的反射损耗。
对于折射率不同的两种材料的交界面,图1
可以找到一个入射角,使之满足布儒斯特角条件,在这样一个条件下,激光由棱镜左侧入射后,在右侧透射的光为ｐ分量光（经过镀膜后使投射光中没有ｓ分量）,在侧面反射的光为ｓ分量光。
偏光分束镜的膜系设计要求,必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料，使ｐ光全透过,而ｓ光全部反射.在实验中偏光分束棱镜既起到起偏器作用又起到检偏器的作用.
2.液晶光阀
液晶光阀分为投射式的液晶光阀和反射式的液晶光阀；本实验中使用的是反射式的液晶光阀，先解释几个名词
液晶：
液晶的分子为有机分子，大多为棒状，即它的长度尺寸为直径尺寸的5倍以上。
由于分子结构的这种对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。
但是，液晶具有液体的流动性，不可能脱离固体容器的盛载，但固体容器表面往往给液晶带来干扰，破坏液晶整体一致的排列性，而变成一微米至数十微米取向不同的小畴。
所以在制作液晶器件时，一定要在基板上附上液晶取向膜，以保持液晶整体的排列。
取向膜：
液晶器件的玻璃基板最表层上都要有一层取向膜，其作用是使液晶沿预定方向取向。
这一层膜虽薄，约在50～150纳米之间，但却是液晶器件的关键部分。
液晶内部的取向通常服从表面的取向，如果不服从就会产生畸变，使体系能量增高。
所以研究表面取向成为研究液晶器件的最重要部分
方向矢：
液晶器件的玻璃基板最表层上的取向膜的方向
液晶光阀中的关键部分就是液晶,其物理特性介于固体和液体之间;其结构介于固体和液体之间,称为中间态或中间相.呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，因而称为液晶。
它既不同于不能流动的晶体，也有别于光学各向同性的液体，它的特性既有晶体的取向特性,又有液体的流动性.当液晶分子在取向膜层的影响下有序排列表现出的各向异性,又导致电、磁、光、力的各向异性.由于液晶分子之间的相互作用远低于固体分子之间的相互作用力，所以液晶的各向异性在外场作用下会发生显著变化.
通常我们所说的液晶在排列方式上主要分三类：
向列相、胆甾相、近晶相。
向列相液晶的排列方式分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。
胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性，此外还有与分子取向垂直的螺旋轴，分子取向沿轴旋转、即连续扭曲状态。
向列相液晶和胆甾相液晶目前已具有非常广泛的应用，尤其是在液晶平板显示器上的应用，市场极大。
液晶显示器并非液晶本身发光，它是将光源光进行调制显示图像，因此无闪烁，长期观看无疲劳感，是有利于人眼健康的显示器。
但向列相液晶的响应速度较慢，响应时间一般超过20毫秒，最适合做便携式电脑的显示器，以及摄像机上的取景器，车载导航仪等，做液晶电视一直存在困难，但近年来，通过技术的改进，液晶电视也已面市。
近晶相不但具有分子取向有序，而且还具有分子层状结构，分子重心可在层法线方向上周期平移，但在分子层内仍无平移周期。
近晶相更接近晶体结构。
实际在近晶相中又可细分很多相态，但多数都没有应用，只有对近晶相中的铁电相的研究比较透彻，目前已有很多尝试性应用。
铁电液晶分子具有固有偶极矩，响应速度大约比向列相液晶快3个数量级，但其器件的制备技术要求很高。
液晶的主要特征之一，是象光学单轴晶体那样，由于折射率各向异性而显示出双折射性（doublerefraction）。
单轴晶体有
和
这两个不同的主折射率，
和
分别是电光矢量的振动方向与晶体光轴相垂直的寻常光（ordinarylight）及与晶体光轴平行的非常光（extraordinarylight）的折射率
在向列型液晶液晶中，因为单轴晶体的光铀相当于分子长轴方向的指向矢n的方向，
即折射率各向异性
可由下式求得：
向列型液晶在各个空间方向上的折射率的大小如图2，对于寻常光表现为球面，对于非常光则表现为旋转椭球体；前者的折射率
常常要比后者的折射率
小，只有在指向矢n的方向上二者才一致.向列型液晶中，
，
是正值，因此具有正的光学性质.
图2图3
现由图3说明入射偏振光的偏振状态发生的变化.
对于液晶排列与x轴（竖直向上）方向一致的指向矢n，我们假定电矢量的振动方向与x成
角，而沿z方向（水平向右）入射的的电场矢量为
的线偏振光，设z=0时的电矢量在x、y方向上的分量为
、
，则进行到z时的入射线偏振光的状态，可用下式表示。
（1）
式中：
从
（1）式可知，当
和
时，则Ey＝0和
＝0，，即入射的线偏振光的偏振方向不发生变化；当
时，式
（1）变成
（2）
由此可知，入射光沿着z方向前进，则其偏振光状态按照直线、椭圆、圆、椭园、直线偏振光的顺序变化，线偏振光的偏光方向也发生变改（如图3所示）。
下面叙述线偏振光入射到指向矢有扭曲的液晶时的情况。
首先，当液晶分子排列扭曲的螺距少比入射光的波长大得多时，象图4表示的那样，平行于入射口的的偏振光方向的入射光将沿着的扭曲方向发生旋转，并以平行于射出口的n的偏振方向射出。
而以垂直于n的偏振方向入射的光，则以垂直于射出口的方向射出。
以上述方向之外偏振方向入射的光，则对应于从液晶的入射口到射出口之间的相位差
，以椭园偏振光、圆偏振光或直线偏振光中的某种偏振状态射出。
下面简单介绍一下反射式的液晶光阀的结构和原理
液晶光阀的结构如下图5所示
图4
图5
下面以典型的反射型扭曲向列型液晶器件为例进行介绍，将两片光刻好透明导电极图形的平板玻璃相对放置在一起，间距一般10
，大多为2
。
四周用环氧胶密封，但在一侧封接边上留有一个开口，该开口称为液晶注入口。
液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。
注入后，用树脂将开口封堵好。
当然，作为扭曲向列型液晶显示器件，在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。
该定向层经定向处理后，可使液晶分子在液晶盒内，在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列，而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈45度扭曲排列；我们首先考虑暗态情况，如果在液晶光阀和读出光之间放置一对正交的起偏器和检偏器，起偏器置于入射光束中并平行于第一电极的预定向，而检偏器置于反射光中。
在暗态时，线偏振入射光第一次通过液晶层后，其偏振方向转动45度，再次通过液晶后，其振动方向又反转了45度而返回原入射方向，因而被正交的检偏器所阻挡。
亮态的工作原理较暗态稍复杂，正如以上所说，液晶在加上电场后，它的原排列方式将被破坏，由于液晶分子的光学双折射的效应，使得非常光和寻常光通过液晶后产生位相差，出射的将是椭圆偏振光的不同中间态，其长短轴的比例和方向于电压有关，它通过检偏器后形成不同程度的亮态，其亮态的大小受控于电压。
本实验中的液晶主要是向列型液晶，其分子长轴近似平行，且平行于玻璃平面液晶分子取向决定于取向膜层的方向.光通过液晶层时发生双折射效应，即入射的偏振光进入液晶层后，这时的液晶层相当于一个位相片，其位相的大小取决于写入光的强弱.反射回来的各种不同的椭圆偏振光,它的长、短轴的方向和比例经检偏器后的光强是不同的。
液晶层两侧加一定电压，液晶分子在电场的作用下会沿电场方向排列，即液晶的方向矢向电场方向偏转，从而改变双折射效应。
当液晶光阀工作时，图示5中光导层9在外加写入光时电阻率急剧下降，隔光层8分离写入光与读出光.在无写入光时，光导层电阻率高，电压几乎加在光导层上，液晶层上电压降很小，这时液晶对光的调制作用维持原来的状态；当有写入光时（如一光点照在液晶光阀的某一表面位置），光导电阻急剧下降，于是液晶层上电压迅速增大，使液晶光轴方向发生偏转，从而改变双折射效应.
实际工作的光路如下图6
图6
氦氖激光器经括束、准直后垂直照射在偏振分光棱镜上，透过p分量，作为读出输入光进入液晶光阀，并将经光阀反射回来的光经棱镜450反射面反射后，经成象透镜会聚在观察屏上.这种从光阀反射回来的光的偏振态因液晶的双折射而改变（如何改变？
），是各种状态的椭圆偏振光，其状态与写入光的强度有关，因而在观察屏上呈现的是一幅与写入光相应的图象，这样就实现了强度小的非相干光（写入光）调制了强度大的相干光（读出光），从而完成了弱光变强光，非相干光变相干光的空间光调制作用.
0.86V正象1.57V反转象3.24V正象8.64V反转象
对于以上的图片，我们从特征曲线上就得到解释.当我们将电压调在某一范围时，100％透光率的输出光比较强，而0透光率的输出光很弱，这时输出图片应为正像；上述情况若是相反，则输出的是应该是反转像；若100％透光率的输出光比较弱，0透光率的输出光也很弱，而50％透光率的输出光很强，这时输出图片应为边缘增强像；若100％透光率的输出光比较强，0透光率的输出光也很强，而50％透光率的输出光很弱，这时输出图片也为边缘增强像，只不过这时的背景是强光.我们完全可以将不同种的特征曲线绘制在一张图中加以比较，就可以清晰地看出不同电压区段内的图象性质.
实验内容：
1.按照要求调节并检验光路。
2.驱动电压为零，写入光为零时，绘出取向角
与输出光强的关系曲线。
定义：
驱动电压为零，写入光为零时输出光强最小时的
定义为零。
3.对于图片的不同位置，写入光的光强是不一样的。
为了对写入光有一个量化的概念，我们在实验中取三种光强状态：
分别为全暗、全明、中间值，它们分别对应图片中的不透光部分、透光部分、边缘部分，分别测出在f=1kHz的情况下驱动电压和输出光强曲。
.写入光为零，测量LCLV输出光强与驱动电压的关系。
.写入光全明（白色照明灯压为8.64伏），测量LCLV输出光强与驱动电压的关系。
.写入光为中间值（白色照明灯压为旋钮逆时针旋到最小），测量LCLV输出光强与驱动电压的关系。
将
的数据在一张图中绘出，根据图线将得到什么结论？
将实验现象加以描述并解释.
4.观察并记录实验现象；具体要点是：
出现正像、反转像、边缘增强像（边缘像亮其他为暗背景，边缘像暗其他为背景）的次数，正像、反转像、边缘增强像所对应的电压的范围、取向角大小等各种参数值.
思考题：
1.液晶光阀的驱动电压用的是交流电，能用直流电吗?
说出原因.
2.本实验使用的是光寻址液晶光阀，你知道电寻址液晶光阀有哪些应用？
举一、二例说明.
数据处理：
在测量之前挡掉进入探测器的激光，读取光探测器读数。
此为环境光强
0.01
.
1.测取向角
与输出光强的关系
此时驱动电压为零，写入光为零，数据整理如下表：
0
10
25
115
光强/
0.24
0.14
0.01
0.73
根据图表以及实验中的对比，不难发现:
取向角
在
时，光强最小，取向角
在
时，光强最大。
而
恰好为中间位置。
2.驱动电压和输出光强曲线
在实验中取三种光强状态：
分别为25
、70
、115
，输入0-5V不同电压值，
间隔0.5V，读取光探测器读数，记录下相应光强。
将数据整理为下表:
25
时
115
70
驱动电压/v
光强
驱动电压/v
光强
驱动电压/v
光强
0
0.30
0
0.38
0
0.07
0.5
0.24
0.5
0.46
0.5
0.09
1
0.17
1
0.54
1
0.12
1.5
0.11
1.5
0.61
1.5
0.16
2
0.08
2
0.62
2
0.20
2.5
0.05
2.5
0.70
2.5
0.23
3
0.03
3
0.72
3
0.26
3.5
0.02
3.5
0.72
3.5
0.28
4
0.01
4
0.72
4
0.30
4.5
0.01
4.5
0.73
4.5
0.32
5
0.01
5
0.73
5
0.31
用Origin将数据拟合为曲线:
现象分析：
在最大角度时，光强随着驱动电压的增大而增大；在最小角度时光强随着驱动电压的增大而减小，两者呈现相反的状态。
表明如写入图像后会得到黑白颠倒的图像。
而在中间角度是刚开始有微小幅度的上升，而后趋于平稳。
且最大值位于曲线中间，说明若此时写入图像，其边缘会增强。
最大和最小角度处的曲线与理论基本符合，而中间角度得到曲线与理论有误差。
3.测量液晶光阀的微结构
焦距f=113.00-89.50=23.50cm
横向线宽
纵向线宽
波长=632.8nm
得到：
所测的液晶的像素大小为：
误差分析：
1、实验中没有使用坐标纸导致像间距的测量不准确。
2、聚焦面存在误差
3、记录点的位置时存在误差
4、测量时估读也可能有误差
5、灯光较暗也会导致读数的不准确
4.利用电脑得到三种典型光学实验图像并将理论值与实验值相比较
杨氏双缝干涉：
；波长=632.8nm
双孔间距d/mm
孔到观察屏的距离/cm
测得条纹间距/mm
理论计算条纹间距/mm
0.54
32.60
20/24=0.83
0.38
0.36
32.60
30/24=1.25
0.57
0.72
32.60
15/24=0.63
0.28
测量值与理论值有了较大的误差，但d越大测量值越小，说明测量符合变化趋势，可以看出还是出现了正常的干涉图像，只不过测量出现了些许误差。
可能误差主要在于f的测量上。
单缝衍射：
;波长=632.8nm;f=113.00-89.50=23.50cm
缝宽/mm
0级亮纹测量宽度/mm
0级亮纹理论计算宽度/mm
0.9
13/24=0.54
0.33
调节过程中出现的现象为：
中央是大亮斑，向两边走亮纹逐渐变小。
当缝变窄时，条纹间距变大。
测量值与理论值仍然是有较大的误差，说明f的测量或者间距的测量出现了问题。
圆孔衍射：
；波长=632.8nm;f=113.00-89.50=23.50cm
圆孔尺寸/mm
实验测量艾里斑半径/mm
理论计算艾里斑半径/mm
0.54
14/24=0.58
0.24
仍然有较大误差，说明焦距的调节和测量出现了问题。
实验过程中的现象为：
中央为大圆斑，向外依次为明暗交替的同心圆，亮度越来越小。
矩孔衍射：
实验中未能调节出来，根据理论，应该为十字亮斑。
思考题：
1、防止出现观察不到的亮点或者确保光强的均匀性。
2、衍射光斑的二次衍射点。
实验心得：
1、光学实验重在动手操作，要不断地进行调试，改变狭缝长度，选择图像清晰的那组进行测量可以使实验测量更加准确。
2、需要事先做好预习工作，了解相应原理，更重要的是要知道理论上的图像是什么样子的，这样才能知道自己的实验操作是否正确，明确调节的方向。
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